Farel H. Napitupulu Staf Pengajar Departemen Teknik Mesin FT USU. m& = konsumsi bahan bakar (kg/s) LHV = low heating value (nilai kalor bawah) (kj/kg)

PENGARUH NILAI KALOR (

HEATING VALUE

) SUATU BAHAN BAKAR

TERHADAP PERENCANAAN VOLUME RUANG BAKAR KETEL UAP

BERDASARKAN METODE PENENTUAN NILAI KALOR BAHAN BAKAR

YANG DIPERGUNAKAN

Farel H. Napitupulu

Staf Pengajar Departemen Teknik Mesin FT USU

Abstrak: Nilai kalor bahan bakar yang dibahas dalam topik ini adalah nilai kalor minyak bakar (residu)

produksi Pertamina. Harga nilai kalor ini ditentukan dengan tiga metode, yaitu pertama dengan mengambil harga nilai kalor berdasarkan spesifikasi menurut Dirjen Migas No. 03/P/DM/1986, tanggal 14 April 1986, kedua dengan memperoleh harga nilai kalor melalui hasil pengujian di laboratorium, dalam hal ini dengan menggunakan bom kalorimeter oksigen di Laboratorium Teknik Mesin USU dan ketiga dengan menghitung nilai kalor berdasarkan rumus Dulong dan Petit. Berdasarkan hasil dari ketiga metode di atas ini dapat dilihat adanya perbedaan harga nilai kalor minyak bakar (residu) yang sekaligus mempengaruhi volume ruang bakar instalasi ketel uap.

Kata kunci: Ketel Uap, Volume Ruang Bakar, Minyak Bakar (Residu), Nilai Kalor I. PENDAHULUAN

Nilai kalor merupakan jumlah energi kalor yang dilepaskan bahan bakar pada waktu terjadinya oksidasi unsur-unsur kimia yang ada pada bahan bakar tersebut. Dalam perencanaan ruang bakar sebuah ketel uap, nilai kalor bahan bakar sangat menentukan. Volume ruang bakar dapat ditentukan dengan menggunakan rumus dari [1] yaitu: Vrb = rf ketel bb

h

x

LHV

x

m

&

η

Di mana:

Vrb = volume ruang bakar (m3)

bb

m

&

= konsumsi bahan bakar (kg/s)

LHV = low heating value (nilai kalor bawah) (kJ/kg)

ketel

η

= efisiensi ketel uap

hrf = laju pelepasan kalor (kg/ m3.s)

Dari rumus di atas ini dapat dilihat bahwa volume ruang bakar dapat diketahui bila nilai kalor bawah (LHV) diketahui.

Nilai kalor bahan bakar terdiri dari: 1. Nilai Kalor Atas

Nilai kalor atas atau highest heating value (HHV) adalah nilai kalor yang diperoleh dari pembakaran 1 kg bahan bakar dengan memperhitungkan panas kondensasi uap (air yang dihasilkan dari pembakaran berada dalam wujud cair)

2. Nilai Kalor Bawah

Nilai kalor bawah atau lowest heating

value (LHV), adalah nilai kalor yang diperoleh

dari pembakaran 1 kg bahan bakar tanpa memperhitungkan panas kondensasi uap (air yang dihasilkan dari pembakaran berada dalam wujud gas/uap).

II. METODE PENENTUAN HARGA NILAI KALOR

Harga nilai kalor (HHV dan LHV) dapat diperoleh dengan cara berikut:

2.1. Mengambil Harga Nilai Kalor dari Literatur

yang Ada

2.2. Memperoleh Nilai Kalor Melalui Pengujian

di Laboratorium

Nilai Kalor (heating value) suatu bahan bakar dapat juga diperoleh dengan menggunakan peralatan di laboratorium, yaitu bom kalorimeter oksigen seperti ditunjukkan pada Gambar 1 dan Gambar 2. Nilai kalor yang diperoleh melalui peralatan ini adalah nilai kalor atas atau highest heating value (HHV) dan dapat dihitung dengan rumus, yaitu:

HHV = (T2 – T1 – Tkp ) x cv (kJ/kg)

Sedangkan nilai kalor bawah atau lowest heating value (LHV) dihitung dengan persamaan:

Bila dilakukan pengujian 15 kali, maka: HHVrata-rata = 15 15 1

∑

= = i j HHV (kJ/kg) dan LHV rata-rata = HHV rata-rata – 3240 (kJ/kg) di mana:

T1=Suhu air pendingin sebelum dinyalakan (oC)

T2=Suhu air pendingin sesudah dinyalakan (o C)

Tkp=Kenaikan suhu kawat penyala = 0,05 (o C )

cv= Panas jenis alat = 73.529,6 (kJ /kg oC)

Prosedur Percobaan

1. Membersihkan tabung bom dari sisa pengujian sebelumnya.

2. Menimbang bahan bakar yang akan diukur dengan timbangan.

3. Mengukur volume bahan bakar.

4. Menyiapkan kawat untuk penyala dengan menggulung dan memasangnya pada tangki penyala yang terpasang pada penutup bom. 5. Menempatkan cawan yang berisi bahan

bakar pada ujung tangkai penyala.

6. Menutup bom dengan kuat setelah dipasang ring_o dengan memutar penutup tersebut. 7. Mengisi oksigen ke dalam bom dengan

tekanan 30 bar.

8. Menempatkan bom yang telah terpasang ke dalam kalorimeter.

9. Memasukkan air pendingin sebanyak 1250 ml.

10. Menutup kalorimeter dengan penutupnya. 11. Menghidupkan pengaduk air pendingin

selama 5 (lima) menit sebelum penyalaan dilakukan.

12. Membaca dan mencatat kembali suhu air pendingin.

13. Menghidupkan penyalaan.

14. Mengaduk air pendingin selama 5 (lima) menit setelah penyalaan berlangsung.

15. Membaca dan mencatat kembali suhu air pendingin.

16. Mematikan pengaduk.

17. Mempersiapkan kembali peralatan untuk pengujian selanjutnya.

2.3. Menghitung Nilai Kalor Bahan Bakar dengan Menggunakan Rumus Dulong dan Petit

Rumus Dulong dan Petit menurut [2] adalah: HHV =33.950C +144.200

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ −

8

2 2

O

H

+ 9.400S LHV = HHV - 2.400(H2O + 9H2) kJ/kg di mana:

C = komposisi karbon dalam bahan bakar

H2 = komposisi hidrogen dalam bahan bakar

O2 = komposisi oksigen dalam bahan bakar

S = komposisi sulfur dalam bahan bakar

H2O = komposisi uap air dalam bahan bakar

III. HASIL PENENTUAN NILAI KALOR MINYAK BAKAR (RESIDU)

3.1 Penentuan Nilai Kalor Bahan Bakar dari Literatur

Yang dimaksud literatur dalam hal ini adalah spesifikasi minyak bakar (residu) menurut Direktur Jenderal Minyak dan Gas seperti terlihat pada Tabel 3.1.

Gambar 2. Penampang Bom Kalorimeter Oksigen

Tabel 3.1 Spesifikasi Minyak Bakar

N0 PROPERTIS LIMIT

TEST METHODS

MIN MAKS ASTM Lain

(Spesifikasi-1)

1 Specific Grafity at 60/60 F 0,99 D-1298 2 Viscocity Redwood 1/100 F Sec 400 1250 D-445 IP 70 3 Pour Point F 80 D-97 4 Colorofic Value Gross BTU/lb 18.000 D-240 5 Sulphur Content %wt 3,5 d-1551 6 Water content % vol 0,75 D-95 7 Sediman % wt 0,15 D-473

8 Neutralization Value

Strong Acid Number mgKOH/hr Nil 9 Flash Point P.M.cc F 150 D-93 10 Conradson Crabon Residu %wt 14 D-189

(Spesifikasi-2)

1 Specific Grafity at 60/60 F 0,99 D-1298 2 Viscocity Redwood 1/100 F Sec 400 1500 D-445 IP 70 3 Pour Point F 80 D-97 4 Colorofic Value Gross BTU/lb 18.000 D-240 5 Sulphur Content %wt 3,5 d-1551 6 Water content % vol 0,75 D-95 7 Sediman % wt 0,15 D-473

8 Neutralization Value

Strong Acid Number mgKOH/hr Nil 9 Flash Point P.M.cc F 150 D-93 10 Conradson Crabon Residu %wt 14 D-189

Sumber:

*) Konvensi dari konematic viscosity Spesifikasi menurut Dirjen Minyak dan Gas

No. 03/P /DM/Migas/1986 tanggal 14 April 1986

Menurut Tabel 3.1 di atas harga HHV minyak bakar adalah 18.000 BTU/lb atau 41.909,196 kJ/kg. Maka nilai kalor bawah adalah:

LHVrata-rata = 41.909,196 – 3240

= 38.669,196 kJ/kg

3.2. Penentuan Nilai Kalor Minyak Bakar (Residu) Melalui Percobaan di Laboratorium

Hasil percobaan dengan menggunakan Bom Kalorimeter Oksigen dengan 15 kali percobaan dapat dilihat pada Tabel 3.2.

3.3. Menentukan Nilai Kalor Minyak Bakar dengan Menggunakan Rumus Dulong dan Petit

Komposisi dari minyak bakar (residu) dapat dilihat pada Tabel 3.3.

Tabel 3.2 Hasil percobaan dengan Bom Kalorimeter Oksigen Bahan Bakar No. Percobaan T1 (o C ) T2 (o C ) Tkp (o C ) cv (kJ /kg oC) HHV (kJ /kg) 1 26,32 26,984 0,05 73.529,6 45.122,368 2 27,65 28,302 0,05 73.529,6 44.234,718 3 27,43 28,049 0,05 73.529,6 41.853,694 4 28,56 29,197 0,05 73.529,6 43.149,825 5 28,2 28,861 0,05 73.529,6 44.925,753 6 26,32 26,945 0,05 73.529,6 42.258,352 7 27,65 28,257 0,05 73.529,6 40.921,648 8 28,67 29,33 0,05 73.529,6 44.853,056 9 27,31 27,95 0,05 73.529,6 43.348,536 10 28,83 29,477 0,05 73.529,6 43.889,832 11 26,57 27,203 0,05 73.529,6 46.514,915 12 28,71 29,292 0,05 73.529,6 42.798,695 13 28,79 29,359 0,05 73.529,6 41.842,748 14 27,54 28,169 0,05 73.529,6 46.275,129 Minyak Bakar (Residu) 15 28,73 29,341 0,05 73.529,6 44.937,847 TOTAL HHV 656.927,116

Berdasarkan hasil percobaan dari Tabel 3.2 di atas maka diperoleh: HHVrata-rata = 656927,116/15

= 43.795,141 kJ/kg

LHVrata-rata = 43.795,141 – 3240

= 40555,141 kJ/kg

Tabel 3.3 Komposisi Minyak Bakar (residu)

N0 Komposisi Bahan Bakar Persentase Kandungan

1 Carbon (C) 85,1 % 2 Hidrogen (H2) 10,8 % 3 Sulfur (S) 3,3 % 4 Oksigen (O2) 0,4 % 5 Nitrogen (N2) 0,20 % 6 Air (H2O) 0,16 % 7 Abu (ash) 0,04 % Total 100 %

Sumber: Laboratorium PLTU Sicanang Belawan Berdasarkan komposisi minyak bakar (residu) di atas nilai kalor dapat dihitung dengan rumus berikut: HHV = 33.950 C+ 144.200 (H – ( O2 / 8 )) + 9400 S =33.950 (0,851)+144.200(0,108–(0,004/8 )) + 9400 (0,033) = 44.703,15 kJ/kg LHV = HHV- 2400 (H2O + 9 H2) = 44.703,15 – 2400 (0,0016 + 9 (0,108)) = 42.366,51 kJ/kg = 38.669,196 kJ/kg

IV. PERHITUNGAN VOLUME RUANG BAKAR

Untuk menghitung volume ruang bakar dengan menggunakan minyak bakar (residu) sebagai bahan bakar dan sebagai contoh ditentukan konsumsi bahan bakar,

m

&

_bb = 2,57

kg/s, efisiensi ketel uap,

η

_ketel diambil 90%

dan laju pelepasan kalor, hrf diambil 581,53

Bila digunakan LHV berdasarkan spesifikasi minyak bakar (residu) menurut Dirjen Minyak dan Gas, yaitu 38.669,196 kJ/kg, maka: Vrb = rf ketel bb h x LHV x m η di mana: bb

m

&

= 2,57 kg/s hrf = 581,53 kJ/ m3 s LHV = 38.669,196 kJ/kg ketel

η

= 90 % maka diperoleh: Vrb = 53 , 581 9 , 0 38.669,196 57 , 2 x x = 153,804 m3

Bila ditetapkan panjang (P) ruang bakar sebesar 5 m dan lebar (L) ditetapkan maka tinggi ruang bakar diperoleh sebesar:

T = L x P V_rb = 4 5 153,804 x = 7,69

Bila digunakan harga LHV yang diperoleh dari hasil laboratorium dengan menggunakan Bom Kalorimeter Oksigen, yaitu 40.555,141 kJ/kg, maka: Vrb = rf ketel bb h x LHV x m& η di mana: bb

m

&

= 2,57 kg/s hrf = 581,53 kJ/ m3 s LHV = 40.555,141 kJ/kg ketel

η

= 90 % maka diperoleh: Vrb = 53 , 581 9 , 0 kJ/kg 40.555,141 57 , 2 x x = 161,3 m3

Bila ditetapkan panjang (P) ruang bakar sebesar 5 m dan lebar (L) ditetapkan maka tinggi ruang bakar diperoleh sebesar:

T = L x P Vrb = 4 5 161,3 x = 8,06 m

Bila digunakan harga LHV yang diperoleh dengan menggunakan rumus Dulong dan

Petit yaitu 42.366,51 kJ/kg, maka:

Vrb = rf ketel bb h x LHV x m& η di mana: bb

m

_&

= 2,57 kg/s hrf = 581,53 kJ/ m3 s LHV = 42.366,51 kJ/kg ketel

η

= 90 % maka diperoleh: Vrb = 53 , 581 9 , 0 51 , 366 . 42 57 , 2 x x = 168,51 m3

Bila ditetapkan panjang (P) ruang bakar sebesar 5 m dan lebar (L) ditetapkan maka tinggi ruang bakar diperoleh sebesar:

T = L x P V_rb = 4 5 168,51 x = 8,42 m

Kemudian berdasarkan perhitungan di atas dapat dilihat hubungan nilai kalor minyak bakar (residu) dengan tiga harga nilai kalor yang berbeda dengan volume ruang bakar seperti ditunjukkan Tabel 4.1.

Tabel 4.1 Hubungan Nilai Kalor dengan Volume Ruang Bakar

Bahan Bakar Sumber Data Low Heating Value (LHV) Volume Ruang Bakar

Pertamina 38.669,196 kJ/kg 153,804 m3

Minyak Bakar (Residu) Bom Kalori Oksigen 40.555,141 kJ/kg 161,3 m3

V. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan

1. Dari analisis di atas dapat dilihat bahwa penentuan nilai kalor dari satu jenis bahan bakar dalam hal ini minyak bakar (residu) menghasilkan tiga harga nilai kalor yang berbeda dan mengakibatkan volume ruang bakar yang berbeda pula.

2. Sampel minyak bakar (residu) yang diambil dari lapangan dan diuji di laboratorium mempunyai nilai kalor yang tidak sesuai dengan spesifikasi minyak bakar atau residu menurut Dirjen Migas. Demikian juga komposisi minyak bakar atau residu yang dibuat di laboratorium PLTU Sicanang Belawan

3. juga tidak sesuai dengan spesifikasi menurut Dirjen Migas.

5.2 Saran

1. Dalam menentukan volume ruang bakar harus mengacu pada kondisi fisik bahan yang akurat agar diperoleh efisiensi ruang bakar yang maksimal.

2. Dianjurkan agar selalu menggunakan bahan bakar yang sesuai dengan spesifikasi perencanaan agar diperoleh efektivitas ruang bakar yang optimal.

DAFTAR PUSTAKA

Skrotzki, Bernad D, Penerjemah Zulkifli Harahap, “Power Station Enginering and Economy ”, Mc Graw Hill Publishing Book Company Ltd, New Delhi, 1979. hal. 170.

Culp Archie W, “Prinsip-Prinsip Konversi Energi“, Cetakan ketiga Penerbit Erlangga, Jakarta , 1991. hal. 44.